Новая разработка поможет проводить магнитно-резонансное сканирование пациентов с кардиостимуляторами

Ученые разработали «плащ-невидимку» для магнитных полей, блокирующий их проникновение с обеих сторон защитного экрана.

Идея «блокирования» магнитных полей предлагалась и раньше, однако новая разработка, согласно публикации в «Новом журнале физики», способна прятать магнитные материалы.

Новинка может быть применена как в сфере обеспечения безопасности, так и в медицине — например, при магнитно-резонансном сканировании (MRI).

Новая модель предполагает использование нескольких слоев сверхпроводников и метаматериалов – материалов, физические свойства которых обусловлены не столько их природой, сколько периодической микроструктурой, создаваемой человеком.

Благодаря своим необычным свойствам метаматериалы преломляют электромагнитные волны – такие как свет или магнитные поля – иначе, чем обычные материалы.

В последние годы многочисленные исследователи пытались придумать, как использовать метаматериалы в качестве маскировки объектов, подобно плащу-невидимке юного волшебника Гарри Поттера.

Если набросить подобную «накидку» из метаматериалов на какой-либо объект, лучи света будут «обходить» его, делая сам предмет невидимым.

Однако, справедливости ради нужно отметить, что пока этот эффект работает либо для очень маленьких объектов, либо в весьма ограниченном цветовом диапазоне.

«Но если учесть, что свет и магнетизм – это две стороны одного и того же физического явления, одни те же принципы работают и в отношении магнитного плаща-невидимки», — поясняет Альваро Санчес, руководитель группы авторов научной статьи в журнале New Journal of Physics.

«Феномен магнетизма сыграл очень важную роль в развитии технологий за последние 150 лет, — сказал профессор Санчес в интервью Би-би-си. – Мы хорошо знаем, как создавать магнитные поля, но мы не знаем, как избавиться от них в определенном месте».

Металлический антидетектор

Еще в 2008 году профессор сэр Джон Пендри, которого называют основоположником в области метаматериалов, предположил в журнале Nature Materials, что идеи по маскировке объектов от лучей света могут быть использованы и для того, чтобы сделать объекты невидимыми для магнитных полей.

«Мы поняли, что эти идеи очень интересны, но способа, которое могло бы претворить эту идею в реальность, не было. Была только основная концепция», — объясняет профессор Санчес.

Он и его коллеги в Автономном университете Барселоны решили разработать устройство, основанное на этой идее.

Разработка испанских ученых заключается в создании нескольких слоев для покрытия объекта: внутренний, созданный из сверхпроводящих материалов, окружен слоями метаматериалов, реакцию которых на магнитные поля можно менять в зависимости от толщины слоев покрытия.

Автор фото, Other

«Провести» металлодетектор может оказаться не таким сложным делом, если вы обладаете «анти-магнитом»

Ортвин Гесс, профессор математики Имперского колледжа Лондона, назвал это исследование «удивительным продолжением» теоретических идей, высказанных в предыдущей работе.

«Основной упор здесь делается на том, как сделать эту идею более применимой на практике за счет ее упрощения», — сказал профессор Гесс Би-би-си. Однако и он, и профессор Санчес сходятся в том, что на пути создания материалов, пригодных для «плаща-невидимки» есть еще немало трудностей.

«В дополнение к предыдущему исследованию было предложено добавить простой слой из сверхпроводящих материалов. Это стало преградой для любых излучений магнита, который находится внутри «магнитного плаща», — добавляет Санчес.

Это означает, что такой антимагнит может прятать любые предметы, в том числе и магнитные.

Группа ученых работает сейчас над созданием модели такого антимагнита, который, по словам профессора Санчеса, может найти широкое применение в медицине. Пациенты, которым вживлены электронные кардиостимуляторы, а также другие имплантаты, смогут проходить магнитно-резонансное сканирование.

Еще одна сфера применения — производство энергии, где магнитные поля играют очень большую роль.

Более того, практическое применение этого открытия позволит скрывать «магнитные следы» подводных лодок, которые не хотят попасть на экраны радаров или наткнуться на подводные мины.

С помощью планируемого устройства можно будет «провести» и металлодетекторы.

«Теперь мы знаем, как сделать антимагнит, который сможет замаскировать магнитное поле – задача не простая, но возможная в условиях современных лабораторий. Однако гораздо проще сделать менее заметными «магнитные следы» какого-либо предмета, который вам бы хотелось пронести незамеченным через металлодетектор», — говорит профессор Санчес.

«Большая часть систем безопасности основана на принципе обнаружения металлических предметов детекторами магнитных сигналов. Я думаю, власти должны задуматься над тем, что существуют методы, которые могут свести всю эту систему на нет», — добавляет он.

Сила и слабость постоянных магнитов — Энергетика и промышленность России — № 7 (59) июль 2005 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 7 (59) июль 2005 года

Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.

На Марс — без опасной дозы

Российские ученые планируют испытать на МКС защиту космонавтов от радиации в межпланетных полетах. Специалисты Института космических исследований завершают изготовление полного эквивалента будущего летного прибора

В 2023 году БТН-М2 (бортовой телескоп нейтронов) должны будут доставить на орбиту грузовым кораблем «Прогресс». Как рассказал заведующий отделом ядерной планетологии Института космических исследований (ИКИ) РАН Игорь Митрофанов, испытания устройства планируется проводить на новом многоцелевом лабораторном модуле «Наука» Международной космической станции.

Снаружи модуля «Звезда» сейчас работает полный эквивалент изготавливаемого прибора — БТН-М1. С его помощью исследователи изучают, как распределяются в окрестности МКС потоки нейтронов, которые возникают в веществе станции под воздействием космических лучей или во время солнечных вспышек, и оценивают их вклад в дозу радиации, получаемую космонавтами во время выходов в открытый космос.

Снаружи модуля «Звезда» сейчас работает полный эквивалент изготавливаемого прибора — БТН-М1

sun1-88.userapi.com

Комплексное исследование нейтронных потоков

«БТН-М1 и БТН-М2 — это два прибора в рамках одного эксперимента “БТН-Нейтрон” на борту российского сегмента МКС, — рассказал “Стимулу” Игорь Митрофанов. — БТН-М1 был установлен на модуле “Звезда” еще в 2007 году для регистрации локальных потоков нейтронов и гамма-лучей вне гермоотсека этого модуля. Это излучение возникает от бомбардировки верхней атмосферы Земли и вещества станции энергичными частицами галактических и солнечных космических лучей, проникающих во внутреннюю область магнитосферы. Прибор БТН-М2 создается для установки внутри гермоотсека модуля “Наука”. Два прибора будут работать одновременно, и по данным их измерений можно построить полную инженерную модель нейтронного фона как вне станции, так и внутри гермоотсеков».

Прибор БТН-2 будет также оснащен съемными экранами радиационной защиты от нейтронов. Сравнивая данные измерений с экранами и без них, можно будет оценить эффективность этой защиты и выяснить, можно ли ее применять для создания «радиационных убежищ» будущих межпланетных космических кораблей.

 Прибор БТН-2 будет оснащен съемными экранами радиационной защиты от нейтронов. Сравнивая данные измерений с экранами и без них, можно будет оценить эффективность этой защиты и выяснить, можно ли ее применять для создания «радиационных убежищ» будущих межпланетных космических кораблей

Эти экраны основаны на разработках для космических нейтронных телескопов ЛЕНД и ФРЕНД, которые были созданы в отделе ядерной планетологии ИКИ РАН совместно с коллегами из лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований.

«Для этих телескопов с высоким пространственным разрешением мы разработали нейтронные коллиматоры — массивные толстостенные детали, которые окружают детекторы нейтронов со всех сторон, как стенки колодца, оставляя для проникновения частиц в детекторы только небольшой телесный угол — угол под названием “поле зрения”, — рассказывает Игорь Митрофанов. — Внешние нейтроны, падающие на телескоп вне “поля зрения”, практически полностью поглощаются веществом коллиматора. Благодаря таким коллиматорам телескопы на борту спутников Луны (ЛЕНД) и Марса (ФРЕНД) регистрируют потоки нейтронного излучения от этих небесных тел с высоким пространственным разрешением. Мы решили применить опыт создания коллиматоров для космических нейтронных телескопов для создания экранов от нейтронной радиации на борту космических аппаратов — так была предложена концепция прибора БТН-М2 для МКС».

По словам ученого, благодаря этому эксперименту исследователи поймут, насколько возможно уменьшить нейтронный радиационный фон на борту станции с применением таких защитных экранов. Для МКС на низкой околоземной орбите это не очень важно, а для будущих полетов за пределы земной магнитосферы, в далекий космос, где нейтроны, произведенные галактическими и солнечными космическими лучами, будут очень серьезной радиационной опасностью для экипажа, появятся варианты нейтронной радиационной защиты уже прямо на борту аппарата.

Заведующий отделом ядерной планетологии Института космических исследований РАН Игорь Митрофанов

ИКИ

Защитить от космической бомбардировки

Межпланетное пространство наполнено галактическими космическими лучами — это потоки не только нейтронов, но и энергичных протонов и ионов, которые генерируются далеко в нашей галактике взрывающимися звездами. Наше Солнце также излучает такие потоки в периоды солнечной активности. Радиационный фон от энергичных заряженных частиц представляет очень серьезную опасность для живых организмов. На околоземной орбите внутри магнитосферы эта опасность практически полностью устраняется: магнитное поле отклоняет заряженные частицы и не пропускает их внутрь магнитосферы. Радиационно опасными областями околоземного космического пространства остаются полярные районы, где частицы двигаются к земной поверхности вдоль силовых линий, и радиационные пояса или магнитные аномалии, где частицы застревают в магнитных ловушках.

 Полет на Марс должен продолжаться многие месяцы. За это время накопленная доза приблизится к предельно допустимой, а спрогнозировать солнечную активность на такой продолжительный срок невозможно

«Вне магнитосферы космические аппараты подвержены прямой бомбардировке галактическими или солнечными космическими лучами, — рассказывает Игорь Митрофанов. — Защитой от них могут быть только толстые стенки и (или) искусственно созданные магнитные отклоняющие экраны. Толстые стенки обязательно нужны, так как частицы отклоняет только поперечная компонента поля, а у него всегда остаются магнитные полюса, где силовые линии не отклоняют потоки заряженные частиц, распространяющихся вдоль них».

Беда приходит и с другой стороны: вещество толстых стенок под воздействием поглощаемых протонов и ионов генерирует вторичные нейтроны. А нейтроны не отклоняются магнитным полем и создают локальный радиационный фон. Выходит, что, устранив локальный радиационный фон от космических заряженных частиц, мы получаем на борту космического корабля локальный фон от вторичных нейтронов.

«Не решив проблему радиационного фона на борту космического аппарата, человечество не сможет отправить пилотируемую экспедицию на Марс, — уверен Игорь Митрофанов. — На Луну слетать можно, и это подтвердили участники американского лунного проекта “Аполлон”. Дело в том, что до Луны недалеко и суммарная доза радиации от галактических лучей оказывается допустимой. Солнечные вспышки могут оказаться фатальными, но их можно относительно достоверно предсказать и не отправляться в путь при плохом прогнозе солнечной погоды».

 Энергичные заряженные частицы нужно будет максимально отклонить от космического аппарата с экипажем на борту, а в тех направлениях, где магнитное поле их пропускает, — установить тяжелые защитные стенки

Полет на Марс должен продолжаться многие месяцы. За это время накопленная доза приблизится к предельно допустимой, а спрогнозировать солнечную активность на такой продолжительный срок, по словам ученого, невозможно. Поэтому эксперимент, который готовят специалисты Института космических исследований для научной программы МКС, — это первые шаги по созданию радиационно безопасного пилотируемого корабля для продолжительных полетов в дальнем космосе.

Проблему создания радиационной защиты предстоит решить всем космическим державам, которые планируют проводить пилотируемые экспедиции в дальнем космосе. «Ядерные процессы происходят для всех одинаково, поэтому и инженерные решения будут аналогичными, — считает Игорь Митрофанов. — Энергичные заряженные частицы нужно будет максимально отклонить от космического аппарата с экипажем на борту, а в тех направлениях, где магнитное поле их пропускает, — установить тяжелые защитные стенки. Вторичные энергичные нейтроны, которые родятся в веществе этих стенок, нужно будет поглотить, не пропустив их в обитаемый гермоотсек. Для этого будут применяться экраны, в которых эти нейтроны вначале эффективно замедлятся, а затем поглотятся ядрами элементов с большим сечением нейтронного захвата. И первые опыты по созданию таких экранов мы планируем провести в эксперименте “БТН-Нейтрон” на МКС».

Почему в самолете просят отключать мобильные телефоны? : Физика

И опыт сын ошибок трудных.. . Остаётся рассмотреть теоретически, с привлечением математики.

Физическая энциклопедия:

Цитата:

Если неровности малы по сравнению с l [длиной волны], имеет место правильное, или зеркальное, О. с. [отражение света]. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О. с. диффузно.

Цитата:

Сумма коэффициента пропускания и коэффициентов отражения, поглощения и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии.

Есть ли материал, который может блокировать магнитную силу? В частности, блокирует ли свинец магнитные поля?

Ответ

Основная причина этого связана с одним из уравнений Максвелла:

del dot B = 0

Что означает отсутствие магнитных монополей.То есть, если вы можете разделить электрические монополи (положительные и отрицательные заряды) так, чтобы электрическое поле никогда не заканчивалось на противоположном заряде, вы не можете сделать это с помощью магнитных полюсов. Магнитных монополей не существует. Не существует такого понятия, как «магнитный заряд». Все силовые линии магнитного поля ДОЛЖНЫ ЗАКОНЧИТЬСЯ на противоположном полюсе. Из-за этого их невозможно остановить — природа должна найти способ вернуть силовые линии магнитного поля обратно к противоположному полюсу.

Однако магнитные поля могут перенаправляться вокруг объектов.Это форма магнитного экранирования. Окружая объект материалом, который может «проводить» магнитный поток лучше, чем материалы вокруг него, магнитное поле будет стремиться течь вдоль этого материала и избегать предметов внутри. Это позволяет линиям поля заканчиваться на противоположных полюсах, но просто дает им другой маршрут.

Вы можете проверить:
http://www.lessemf.com/faq-shie.html#Lead-Copper
Что дает хороший ответ на ваш вопрос напрямую.

Как видно, проницаемость свинца равна 1. Это означает, что он не лучше магнитного экрана, чем воздух.

Итак, краткие ответы:

Сверхпроводники — Эффект Мейснера

Одним из свойств сверхпроводников, которое легче всего продемонстрировать, а также наиболее ярким, является эффект Мейснера. Сверхпроводники сильно диамагнитны.То есть они будут отталкивать магнит. Представьте себе «идеальный» проводник электричества, который просто не имеет сопротивления прохождению электрического тока. Если электрический проводник перемещается в магнитное поле, закон индукции Фарадея заставит нас ожидать индуцированного электрического тока в проводнике и связанном с ним магнитном поле, которое будет противодействовать приложенному полю. Индуцированный электрический ток не рассеивался бы в «идеальном» проводнике, и, следовательно, связанное с ним магнитное поле также продолжало бы противодействовать приложенному полю.И наоборот, если бы «идеальный» проводник уже находился в магнитном поле, а затем это приложенное поле было удалено, тот же физический закон указывал бы, что электрический ток и связанное с ним магнитное поле появятся в проводнике, который попытается воспрепятствовать удалению. прикладного поля. Если бы нам пришлось провести эксперимент, в котором мы поместили бы магнит поверх материала, который каким-то образом стал «идеальным» проводником, мы бы не увидели физического воздействия на магнит. Однако, если бы мы попытались удалить магнит, только тогда мы почувствовали бы противодействующую силу.

Сверхпроводник фундаментально отличается от нашего воображаемого «идеального» проводника. Вопреки распространенному мнению, один только закон индукции Фарадея не объясняет магнитное отталкивание сверхпроводником. При температуре ниже его критической температуры Tc сверхпроводник не позволит никакому магнитному полю свободно проникать в него. Это связано с тем, что в сверхпроводнике индуцируются микроскопические магнитные диполи, которые противостоят приложенному полю. Это индуцированное поле затем отталкивает источник приложенного поля и, следовательно, отталкивает магнит, связанный с этим полем.Это означает, что если магнит был помещен сверху сверхпроводника, когда сверхпроводник был выше его критической температуры, а затем он был охлажден до температуры ниже Tc, сверхпроводник тогда исключил бы магнитное поле магнита. Это можно увидеть довольно ясно, поскольку сам магнит отталкивается и, таким образом, левитирует над сверхпроводником. Чтобы этот эксперимент был успешным, сила отталкивания должна превышать вес магнита. Это действительно так для мощных магнитов из редкоземельных элементов, поставляемых с нашими наборами.Следует иметь в виду, что это явление произойдет только в том случае, если сила приложенного магнитного поля не превышает значение критического магнитного поля Hc для этого сверхпроводящего материала. Это явление магнитного отталкивания называется эффектом Мейснера и названо в честь человека, который впервые открыл его в 1933 году. Он остается и по сей день как наиболее уникальная и впечатляющая демонстрация феномена сверхпроводимости.

Из-за поликристаллической природы типичного керамического сверхпроводника эффект Мейснера представляется объемным явлением.Это можно продемонстрировать, сложив два или более сверхпроводниковых диска. С добавлением каждого диска магнит поднимется выше. Этот результат особенно полезен, если эффект Мейснера демонстрируется аудитории с помощью диапроектора.

Еще одно интересное наблюдение: левитирующий магнит не соскальзывает со сверхпроводника. Это, казалось бы, стабильное равновесие на самом деле является проявлением пиннинга потока, явления, однозначно связанного со сверхпроводниками типа II, примером которых являются наши высокотемпературные керамические сверхпроводники.Здесь линии магнитного потока, связанные с магнитом, могут проникать через большую часть сверхпроводника в виде трубок магнитного потока. Затем эти магнитные трубки прикрепляются к дефектам или примесям в кристаллической матрице сверхпроводника, тем самым закрепляя магнит.

Другими словами, происходит то, что вы изначально вынуждаете магнитное поле существовать в этих несверхпроводящих областях, «сжимая» его через щели между сверхпроводящими кристаллами.Эти области материала окружены сверхпроводящим материалом. Представьте кувшин на галлон, наполненный водой, с маленьким отверстием на дне. Кувшин — это сверхпроводник, вода — магнитное поле. Этот сверхпроводящий материал не позволяет магнитному полю проходить через него, так же как кувшин не позволяет воде проходить через него. Однако крошечные несверхпроводящие области будут пропускать магнитное поле, точно так же, как отверстие в кувшине пропускает воду.Когда вы поднимаете магнит, сила тяжести, действующая на шарик (F = ma, физика в первом семестре), недостаточно велика, чтобы заставить захваченное магнитное поле проходить через сверхпроводящий материал, следовательно, как груз на струне. , вы можете поднять гранулу. Струна в данном случае — это магнитное поле, а вес — это сверхпроводник.

Демонстрация эффекта Мейснера

Приведенная ниже процедура проведет экспериментатора через демонстрацию эффекта Мейснера в стиле поваренной книги, шаг за шагом.

Неглубокая чашеобразная выемка в пенополистирольном контейнере для набора или треть дюйма высотой на дне кофейной чашки из пенополистирола может использоваться для хранения жидкого азота для эксперимента. Чтобы проецировать резкое изображение эффекта Мейснера с помощью диапроектора, используйте очень маленькую тарелку, чтобы левитирующий магнит находился менее чем в дюйме от стеклянной пластины.

Процедура

1. ACTION
   Осторожно налейте небольшое количество жидкого азота в посуду или чашку из пенополистирола, пока жидкость не достигнет глубины примерно четверти дюйма.
   РЕЗУЛЬТАТ
   Жидкость некоторое время бешено закипает. Подождите, пока он перестанет кипеть.
2. ACTION
   Используя прилагаемый пинцет, аккуратно поместите черный сверхпроводящий диск в жидкость, пока его верх не будет на одном уровне с поверхностью жидкого азота.
   РЕЗУЛЬТАТ
   И снова вокруг диска закипает азот. Подождите, пока это кипение тоже не прекратится.
3. ACTION
   Снова используя пинцет, возьмите предоставленный магнит и попытайтесь сбалансировать его на верхней части сверхпроводящего диска.
   РЕЗУЛЬТАТ
   Вместо того, чтобы оседать на поверхности сверхпроводника, магнит будет просто «плавать» на несколько миллиметров над сверхпроводником.
   Это демонстрация эффекта Мейснера.

Меры предосторожности

1. При заливке жидкого азота соблюдайте осторожность, чтобы не допустить разбрызгивания.
2. Проведите эксперименты в хорошо вентилируемом помещении.
3. Не прикасайтесь руками к предметам, погруженным в жидкий азот, пока они не нагреются до комнатной температуры.Используйте прилагаемый пинцет для добавления и удаления предметов из жидкого азота.

Этот эксперимент также можно провести, поместив магнит на сверхпроводник перед его охлаждением в жидком азоте. Как предсказывает эффект Мейснера, магнит будет левитировать, когда температура сверхпроводника упадет ниже его критической температуры. Как объяснялось ранее, нет другого материала, кроме сверхпроводника, который мог бы продемонстрировать этот эффект.

Если вы осторожно установите вращение магнита, вы увидите, что магнит продолжает вращаться в течение длительного времени.Это грубая демонстрация магнитного подшипника без трения с использованием эффекта Мейснера. Скорость вращения кубического магнита можно увеличить, используя пластиковую соломинку для питья, чтобы обдувать поток воздуха на одном из краев или углов куба. Еще один способ увеличить скорость вращения магнита — вырезать в листе бумаги небольшое прямоугольное отверстие. Отверстие располагается над левитирующим магнитом так, чтобы половина магнита выступала над плоскостью бумаги. Поток воздуха, направленный вдоль верхней поверхности бумаги, заставит магнит быстро вращаться.

Кубический магнит естественно замедляется сопротивлением воздуха. Следовательно, можно ожидать, что через некоторое время он прекратится. Цилиндрический магнит будет вращаться намного дольше, так как он имеет обтекаемую форму. Однако кубический магнит делает эту демонстрацию более наглядной. Исследовательская группа из Корнельского университета продемонстрировала сверхпроводящий подшипник без трения, который может вращаться со скоростью один миллион оборотов в минуту. Подшипник, сконструированный таким образом с использованием эффекта Мейснера, намного удобнее и безопаснее, чем обычный магнитный подшипник из-за «самоцентрирующейся» природы эффекта Мейснера из-за закрепления магнитного потока.

Все наборы от Colorado Superconductor Inc. оснащены для демонстрации эффекта Мейснера. Наборы для сравнения содержат сверхпроводник на основе иттрия (YBa2Cu3O7) и висмута (Bi2Sr2Ca2Cu3O10). Оба сверхпроводника демонстрируют эффект Мейснера, однако, если диски аккуратно вынуть из ванны с жидким азотом, в то время как магнит все еще левитирует, материал на основе висмута будет продолжать левитировать магнит в течение значительно более длительного времени, чем сверхпроводник на основе иттрия.Это связано с тем, что сверхпроводник на основе висмута имеет значительно более высокую критическую температуру, чем сверхпроводник на основе иттрия.

Набор для измерения критических температур и набор для сравнения критических температур используют эффект Мейснера для измерения критической температуры сверхпроводников.

Некоторые вопросы

1. Почему закипает жидкий азот, когда вы наливаете его в посуду? Почему он закипает, когда вы вставляете в него сверхпроводящий диск?
2. Когда азот испарится, магнит еще некоторое время остается в воздухе.Почему это так? Можете ли вы придумать какие-либо другие эксперименты, использующие этот факт?
3. Если вы нажмете пинцетом на левитирующий магнит, чтобы переместить его через сверхпроводник, он будет сопротивляться движению. Почему это происходит?
4. Как можно улучшить работу модели подшипника качения в вашем комплекте?
5. Существует множество потенциальных применений эффекта Мейснера, например, в транспортных средствах с магнитной левитацией, подшипниках качения, опорах с низким уровнем вибрации и т. Д.Вы можете придумать другие приложения?

Информация предоставлена ​​CSI Superconductors

Какой материал блокирует магнитную силу?

Звоните прямо! (без регистрации)

Обсуждение началось в 2001 г., но продолжаются до 2019 г.

В. Привет.

В настоящее время я работаю над проектом, который требует экранирования одного магнита от другого.

! Тед, по моему опыту, вакуум не блокирует магнитное поле. И это имеет смысл, потому что магнитное поле Земли распространяется в космосе, и на нас действует земная магнита. поля. Большинство металлов и токопроводящих материалов не блокируют его. Однако железо значительно ослабляет его и может представлять собой некоторые ферриты. Есть компании, которые специализируются на таких материалах. Не могу придумать название, но поиск в сети поможет.

Кроме того, магнитное поле не генерирует ток в проводниках, если только оно не быстро колеблется рядом с проводником (электромагнетизм).

Спасибо, Мандар; Я понимаю, что магнитные поля легко проходят через вакуум.

Я говорю о том, что, как я понимаю, хотя вы можете заблокировать электричество резиной, и вы можете заблокировать рентгеновские лучи свинцом, и вы можете заблокировать световые лучи непрозрачным листом, ничто не будет блокировать гравитацию, и я этого не делаю.

В.

! По сути, большинство вопросов здесь можно обобщить вопросом «Могу ли я сделать лазерный магнит?». Магнит, сила притяжения или отталкивающая сила которого сконцентрирована в узком пучке без просачивания в любом другом направлении.

Если бы вы могли это сделать, вы могли бы построить двигатель, который мог бы вырабатывать неограниченное количество электроэнергии и удовлетворять мировые потребности в энергии. Материал, который вы ищете, в настоящее время не существует, если бы он существовал, последствия были бы более драматичными, чем открытие атомной энергии.

В. Я купил набор для столовой, где золотой акцент (большое количество) мне сказали, что это золото 24 карата
Я знаю, что стулья сделаны из стали с никелевым покрытием, за которым следует золото, а затем 4 слоя лака.

У меня вопрос с предполагаемым золотом в 24 карата поверх никеля и стали — будет ли магнит прилипать или золото предотвращает прилипание магнита.

А.Привет, Ди. Магнит обязательно прилепится. Но не было бы проще просто попробовать один, чтобы вы знали, насколько он крепкий? 🙂
Что бы вы хотели сделать с магнитами и этим столовым гарнитуром? Если вы пытаетесь определить, является ли «предполагаемое золото» под 4 слоями лака на самом деле золотом, это можно определить с помощью довольно экзотических рентгенофлуоресцентных приборов, но не с помощью магнитов или чего-либо дешевого и простого 🙁

С уважением,

! Много лет назад, когда компьютерные мониторы были ЭЛТ, и мы хотели иметь динамики, мы всегда покупали динамики с цинковыми экранами вокруг магнитов, чтобы они не влияли на ЭЛТ и не загибали электронную пушку за лампой (отбрасывая цвета и т. Д.) Может, стоит попробовать проверить какой-то цинк? Экраны вокруг магнитов динамиков имели толщину от 10 до 15 мил.

Заявление об ограничении ответственности: невозможно полностью диагностировать проблему отделки или опасности операции с помощью этих страниц.Вся представленная информация предназначена для общего ознакомления и не отражает профессионального мнения или политики работодателя автора. Интернет в основном анонимный и непроверенный; некоторые имена могут быть вымышленными, а некоторые рекомендации могут быть вредными.

Если вы ищете продукт или услугу, связанную с отделкой металлов, посетите следующие каталоги:

About / Contact — Privacy Policy — © 1995-2021 finish.com, Pine Beach, New Jersey, USA

Meissner Effect — Engineering LibreTexts

С момента открытия в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннеса сверхпроводимость стала важной областью исследований как для физиков, так и для инженеров.Начиная с открытия ртути как сверхпроводящего материала, список сверхпроводников расширился, и в него вошли не только проводящие металлы, поскольку многие керамические материалы также обладают сверхпроводящими свойствами. Хотя многие металлы являются проводящими, не все проводящие материалы являются сверхпроводящими, и даже некоторые изоляторы могут стать сверхпроводящими при правильных условиях. Сверхпроводники вызывают интерес из-за их способности понижать свое удельное сопротивление до нуля, когда температура материала ниже определенной.Эта критическая температура является отличием, определяющим поведение сверхпроводника, поскольку свойства сверхпроводника различаются выше и ниже критической температуры. Одно из явлений, которое происходит в сверхпроводниках при температуре ниже критической, — это эффект Мейснера , при котором сверхпроводник вытесняет все магнитное поле изнутри себя. Одна из наиболее известных демонстраций эффекта Мейснера — это его способность заставлять магнит левитировать над сверхпроводником, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Причина этого явления более сложная, чем магнитное отталкивание.

Как это работает

Выше критической температуры, T _c , ​​сверхпроводник не оказывает заметного влияния при приложении магнитного поля, так как магнитное поле может беспрепятственно проходить через сверхпроводник. Если сверхпроводник ниже своей критической температуры, приложенное магнитное поле выталкивается из внутренней части сверхпроводника и изгибается вокруг него, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).Эти магнитные поля вытесняются, потому что под действием магнитного поля поверхностные токи, протекающие без сопротивления, развиваются, создавая намагниченность внутри сверхпроводника. Эта намагниченность равна и противоположна магнитному полю, что приводит к нейтрализации магнитного поля во всем сверхпроводнике. В результате сверхпроводник имеет магнитную восприимчивость -1, что означает идеальный диамагнетизм. Хотя многие материалы демонстрируют небольшое количество диамагнетизма, сверхпроводники сильно диамагнитны.Поскольку диамагнетики имеют намагниченность, противодействующую любому приложенному магнитному полю, сверхпроводник отталкивается магнитным полем. Когда магнит помещается над сверхпроводником, эта отталкивающая сила может быть сильнее гравитации, позволяя магниту левитировать над сверхпроводником. Это не совсем устойчивая конфигурация, дающая магниту свободу вращения над сверхпроводником, когда он пытается сориентировать свои магнитные полюса. Если магнитное поле убрать или температура сверхпроводника превысит критическую, поверхностные токи и намагниченность исчезнут, и магнит больше не будет левитировать.

Критическая температура

Критическая температура — это температура, которая отмечает разницу между сверхпроводящими и несверхпроводящими свойствами внутри сверхпроводящего материала.Выше этой температуры сверхпроводник будет вести себя нормально. В случае металлов сопротивление будет уменьшаться с понижением температуры, как и в случае несверхпроводящих металлов. Когда достигается критическая температура, сопротивление внезапно падает до нуля, и материал ведет себя как сверхпроводник. Эта температура не является постоянной для всех сверхпроводников, но варьируется в зависимости от материала, при этом некоторые сверхпроводники имеют более низкую критическую температуру, чем другие. Те, у которых критическая температура превышает 30 К, называются высокотемпературными сверхпроводниками, например Y-Ba-Cu-O с критической температурой 90 К.Высокотемпературные сверхпроводники особенно полезны из-за того, что в этих материалах легче достичь сверхпроводимости, поскольку их не нужно охлаждать до таких низких температур.

Сверхпроводники типа I и типа II

Хотя может показаться, что сверхпроводники реагируют одинаково в приложенном магнитном поле, существуют различия, которые разделяют сверхпроводники на две категории в зависимости от того, как они реагируют. Для всех сверхпроводников существует максимальное магнитное поле, называемое критическим магнитным полем, Bc, которое может быть приложено до того, как намагниченность, противоположная магнитному полю, достигнет максимума и сверхпроводник вернется в свое несверхпроводящее состояние.Для сверхпроводника типа I эта прямая связь между приложенным магнитным полем и противоположной намагниченностью следует до тех пор, пока не будет достигнуто критическое магнитное поле и сверхпроводимость больше не возникнет. Когда эта точка достигается, эффект Мейснера, который будет происходить внутри сверхпроводника до тех пор, пока критическое магнитное поле не исчезнет, ​​и магнитное поле сможет беспрепятственно проходить через сверхпроводник. Диапазон эффекта Мейснера для сверхпроводника типа I можно увидеть на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Для сверхпроводников типа II существует дополнительное состояние, которое возникает между состоянием Мейснера и нормальным состоянием. Это состояние, называемое смешанным состоянием или вихревым состоянием, отмечается смешением нормального и мейснеровского состояний. Магнитное поле может проходить через сверхпроводник в определенных частях, где возникает нормальное состояние, в то время как остальная часть сверхпроводника проявляет эффект Мейснера и вытесняет магнитное поле. Переход от эффекта Мейснера к вихревому состоянию происходит при более низком критическом магнитном поле B _c1 .Это вихревое состояние продолжает возникать в верхнем критическом магнитном поле, B _c2 , ​​где магнитное поле становится слишком сильным, чтобы сверхпроводник не мог его вытеснить, и сверхпроводник позволяет всем магнитным полям проходить через него, возвращая его в нормальное состояние. Между этими двумя крайностями возникает вихревое состояние, когда внутри сверхпроводника развиваются небольшие трубчатые области, внутри которых сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Диапазон состояний сверхпроводника II типа показан на рисунке 4.Магнитное поле может проходить через эти магнитные трубки или вихри. Как и в случае с краем сверхпроводника, внутри магнитных трубок возникают токи, препятствующие прохождению магнитного поля в участки сверхпроводника, находящиеся в состоянии Мейснера. Именно в этом состоянии вихря происходит закрепление потока.

Флюсовый штифт

Хотя эффекты закрепления магнитного потока могут показаться похожими на левитирующие магниты, вызванные эффектом Мейснера, причина закрепления магнитного потока в некоторых отношениях отличается. Для закрепления потока сверхпроводящий материал должен быть либо очень тонким, либо сверхпроводником типа II.Если он тонкий или типа II, часть магнитного поля может проходить через сверхпроводник, но только в определенных местах, называемых магнитными трубками или вихрем. Это прохождение небольшого количества магнитного поля через магнитные трубки можно увидеть на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Причина, по которой магнитное поле может проходить через сверхпроводник в этих магнитных трубках, заключается в том, что в этих областях нет сверхпроводимости. Сверхпроводник пытается удерживать магнитные трубки прикрепленными к более слабым частям сверхпроводника, таким как границы зерен или другие дефекты.При помещении в магнитное поле такое закрепление предотвращает легкое перемещение левитирующего сверхпроводника без приложения силы, удерживая его в устойчивом положении. Это также известно как квантовая блокировка.

вопросов

1. Какова магнитная восприимчивость сверхпроводника и какой у него магнетизм?
2. В чем разница между сверхпроводниками типа I и типа II?
3. Чем пиннинг потока отличается от эффекта Мейснера?

Ответы

1. Магнитная восприимчивость равна -1, что означает, что сверхпроводник имеет идеальный диамагнетизм.
2. Сверхпроводник типа I имеет состояние Мейснера до того, как магнитное поле становится слишком сильным, и возвращается в нормальное состояние, в то время как сверхпроводник типа II имеет промежуточное состояние между мейсснеровским и нормальным состояниями, называемое вихревым состоянием.
3. Пиннинг потока позволяет магнитному полю проходить через сверхпроводник в определенных точках или магнитных трубках, в то время как эффект Мейснера полностью вытесняет магнитное поле из сверхпроводника.

Список литературы

1. А. З. Джонс. «Что такое квантовая левитация (и как она работает?)». Интернет: Physics.about.com/od/quantump…Levitation.htm.
2. S. O. Kasap. Принципы электронных материалов и устройств . Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2006, стр.729-736.
3. «Сверхпроводимость: эффект Мейснера, постоянные токи и эффекты Джозефсона». Физический факультет Массачусетского технологического института, 8 февраля 2011 г.

Авторы и авторство

• Алисия Дибнер, Материаловедение и инженерия, Калифорнийский университет, Дэвис

Как они это делают? Более пристальный взгляд на квантовую магнитную левитацию

За три года, когда я был студентом-физиком, выступая на научных магических шоу и днях открытых дверей, я убеждал студентов (а иногда и их родителей), что я своего рода волшебник, левитируя небольшой магнит в форме куба. .Магнит парил над сверхпроводником всего на сантиметр или около того, но этого было достаточно, чтобы помахать листком бумаги между ними, чтобы доказать, что никаких ниток буквально не было. Прикосновение к одному краю куба заставляло его вращаться на месте, и даже если вы толкали магнит вниз, он снова решительно отскакивал вверх — если этого не произошло, это означало, что сверхпроводник должен быть холоднее.

Простым рецептом этого научно обоснованного заклинания было бы брызги жидкого азота для охлаждения керамического сверхпроводника, покоящегося в резервуаре из пенополистирола, и магнит, создающий сильное постоянное магнитное поле из редкоземельных элементов.

Левитация работает благодаря сверхпроводимости, которую можно понять с помощью основных принципов проводимости. Определенные элементы и материалы, метко названные проводниками, служат в качестве электрического канала, что означает, что электроны могут проходить через них с относительной легкостью. Эти электроны все еще сталкиваются с атомами, составляющими проводник, и теряют немного энергии при каждом столкновении. Но при охлаждении до достаточно холодной температуры электроны могут свободно течь через проводник без каких-либо столкновений.Это потому, что электроны образуют пары при чрезвычайно низких температурах (тогда как тепло может разорвать предварительную связь между ними). Хотя их связи слабые, их сила выражается в цифрах: спаривание делает так, что столкновения, которые обычно высасывают энергию из электронного потока, не имеют никакого эффекта, потому что столкновения слабее, чем связь электронов.

Критическая температура сверхпроводника — насколько холодным он должен быть, чтобы эти пары были возможны, — зависит от его материала. Металлические сверхпроводники, такие как чистый алюминий или ниобий, например, имеют чрезвычайно низкие критические температуры, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.Однако использовать один из них для домашнего эксперимента невозможно, если только у вас нет большого количества жидкого гелия. (Жидкий гелий кипит при 4,2 кельвина или около –270 градусов по Цельсию, всего на несколько градусов ниже абсолютного нуля). К счастью, есть альтернатива: высокотемпературные сверхпроводники, представляющие собой керамику, состоящую из нескольких элементов, которые позволяют электронам свободно течь при температурах, немного превышающих большинство критических.

77 К (около –196 градусов Цельсия) не похоже на день в тропиках, но в мире сверхпроводников это просто жарко.Это также температура, при которой жидкий азот — гораздо более доступный, чем жидкий гелий — кипит. Для большинства высокотемпературных керамических сверхпроводников, например из оксида иттрия, бария, меди (YBCO) или оксида висмута, стронция, кальция, меди (BSCCO), можно использовать жидкий азот для охлаждения их ниже их критических температур.

Теперь у нас есть две части головоломки: высокотемпературный сверхпроводник и достаточно жидкого азота, чтобы он оставался прохладным. Но как мы можем удерживать магнит над охлаждаемым сверхпроводником? (Или наоборот: в нашем видео с Ричардом Гэрриотом он поместил охлажденный сверхпроводник над слоем редкоземельных магнитов.)

Квантовая магнитная левитация сводится к так называемому эффекту Мейснера, который возникает только тогда, когда материал достаточно холодный, чтобы вести себя как сверхпроводник. При нормальных температурах магнитные поля могут нормально проходить через материал. Однако, когда становится достаточно холодным, чтобы проявлять сверхпроводимость, эти магнитные поля исчезают. Любые магнитные поля, которые проходили через него, должны вместо этого перемещаться вокруг него. Когда магнит помещается над сверхпроводником при критической температуре, сверхпроводник отталкивает свое поле, действуя как магнит с тем же полюсом, заставляя магнит отталкиваться, то есть «плавать» — никакой магической ловкости рук не требуется.

магнитных полей — Когда и как магнетизм проходит через тела?

На магнитные поля влияют все материалы, но очень слабо, если только материал не является ферромагнитным (например, железо, никель и постоянные магниты) или сильным диамагнетиком (например, сверхпроводник).

Мы очень хорошо понимаем природу магнетизма, к сожалению, для реального объяснения нужна квантовая механика. Классической теории магнетизма не существует, и можно математически доказать, что этого не может быть.

В частности, сверхпроводники имеют квантово-механическую природу. То, что они образуют макроскопические диамагнетики (материалы, вытесняющие магнитное поле из своего объема), можно объяснить вихревыми токами, которые индуцируются в сверхпроводнике, когда он попадает в магнитное поле. Поскольку вихревые токи никогда не ослабевают и всегда действуют против вызывающего их магнитного поля, они продолжают «отталкивать» магнитное поле от сверхпроводника.

Алюминиевые пластины также могут создавать вихревые токи, но, в отличие от сверхпроводников, они очень быстро затухают, и магнитное поле может проникать через них.

На атомном уровне мы имеем аналогичные явления: магнитное поле может индуцировать крошечный ток в отдельном атоме, который затем становится диамагнитным, то есть отталкивает магнитные поля. Это делает вода и углерод, и вы можете найти эксперименты, демонстрирующие это в Интернете.

Наконец, есть атомы, которые обладают магнитным моментом и ведут себя как элементарные магниты.Когда эти магнитные атомы сильно притягиваются друг к другу, многие из них могут указывать в одном направлении, которое называется «магнитным доменом». Эти домены могут быть настолько большими, что их можно будет увидеть в микроскоп, если образец подготовлен соответствующим образом:

Материалы, в которых магнитные домены переориентируются во внешнем магнитном поле, являются ферромагнетиками. Если почти все они спонтанно указывают в одном направлении, то у нас есть постоянный магнит. Есть много способов изучения микроскопических свойств магнитов (например,грамм. измеряя намагниченность как функцию температуры, рассеивая нейтроны на магнитах и ​​т. д.), и мы многое узнали о структуре этих материалов и о том, как они взаимодействуют с магнитными полями. Таким образом, мы вполне уверены, что понимаем, сколько магнитов и магнитных материалов «работают», но исследования еще далеко не завершены, что доказывает непрерывная разработка магнитных материалов с еще более высокими характеристиками.

почему мы не используем магнитную энергию Земли для создания электричества?

Любопытные малыши — серия для детей.Если у вас есть вопрос, на который вам нужен эксперт, отправьте его по адресу [email protected]. Вам также может понравиться подкаст «Представь это», совместное производство ABC KIDS listen и The Conversation, основанное на «Любопытных детях».

Почему мы не используем магнитную энергию Земли для создания электричества? — ученица 5-го класса естественных наук г-жи Браун Южной начальной школы Неэрим, Виктория.

Привет!

Сначала это звучит неплохо, но не очень практично.Прежде чем я объясню почему, позвольте мне сначала объяснить, как мы производим электричество, если кто-то, читающий это, еще не знает.

Электричество (скажем, «электрический ток») — это когда электрически заряженные частицы текут, как вода в трубе. Есть два вида электрических зарядов — положительный и отрицательный. Положительные заряды притягивают отрицательные заряды, но две частицы с одинаковым зарядом (положительные или отрицательные) будут отталкиваться. Это означает, что они раздвигаются.

Другими словами, противоположности притягиваются.

Обычно электрический ток состоит из крошечных отрицательных зарядов, называемых «электронами», которые исходят от атомов.

Все, к чему можно прикоснуться, состоит из атомов. Каждый атом окружен облаком электронов, беспорядочно движущихся, как пчелы, вокруг улья, притягиваемых положительными зарядами в центре (или «ядре») атома.

Электрический ток обычно возникает, когда электроны покидают свои атомы и перетекают к другим атомам.

Подробнее: Любопытные дети: как и почему магниты слипаются?

Как создать электрический ток

Есть три основных способа производства электрического тока.

Первый — это батарейки. В батареях существует «электрохимическая реакция», которая заставляет электроны переходить от одного типа атома к другому с более сильным притяжением к электронам. Батарея предназначена для того, чтобы заставить эти электроны проходить через провод в ваши электронные устройства.

Второй способ — солнечные батареи. Световая энергия поглощается электронами в чем-то, что называется «полупроводниками» (обычно кремнием), что заставляет электроны двигаться, создавая электрический ток.

Но я думаю, вы спрашиваете о третьем способе, который обычно используется для генерации электрического тока для электрических розеток в вашем доме.

Прядение бухты проволоки в сильном магнитном поле

Третий способ — быстро провести электрический провод через магнитное поле.Вам нужно сделать это, потому что электроны в проводе не могут чувствовать магнитную силу, если они не движутся.

Чтобы получить ток, достаточный для всех, вы должны пропустить партии провода через магнитное поле. Мы делаем это, быстро раскручивая катушку (содержащую множество петель из проволоки) в сильном магнитном поле.

Во время каждого поворота катушки электроны получают толчок от магнитного поля, перемещая их. Это создает электрический ток. На этой анимации S представляет «южный полюс» магнита, а N — «северный полюс».Анимация показывает только одну петлю из проволоки, вращающейся в магнитном поле. В реальном генераторе были бы сотни или даже тысячи петель.

Машины, которые это делают, называются генераторами. Вы можете вращать змеевик, используя падающую воду (это называется «гидроэлектричество»), пар (произведенный из угля, нефти, газа, ядерной энергии или тепла Солнца), ветряные турбины, использующие ветер, и так далее.

В большинстве генераторов каждый раз, когда катушка делает пол-оборота, электроны получают магнитный удар.В следующий пол-оборота они получают магнитный удар в обратном направлении. Это означает, что направление тока продолжает быстро меняться в течение многих циклов.

Электрический ток, меняющий направление, называют «переменным током» или сокращенно AC. Батареи вырабатывают ток, который движется только в одном направлении, называемом «постоянный ток» или сокращенно DC.

В генераторах мы не забираем энергию из магнитного поля. Энергия, переходящая в электрический ток, на самом деле исходит из энергии, используемой для вращения катушки.Ученые называют это «кинетической энергией».

Обратно к магнитному полю Земли

Теперь (наконец!) Отвечу на ваш вопрос: почему бы нам не использовать магнитное поле Земли для выработки электричества?

Сила тока, производимого генератором, в основном зависит, по крайней мере, от трех вещей: 1) количества витков провода в катушке, 2) скорости вращения катушки и 3) силы магнитного поля.

Магнитное поле Земли очень слабое, поэтому от вашего генератора будет очень мало тока.

Насколько слаб? Вы когда-нибудь видели магниты из неодима, железа и бора в форме пуговиц, которые также называют «неомагнитами»? (Будьте осторожны, они действительно могут вас ущипнуть).

У них магнитные поля примерно в 6000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Магнитные поля внутри электрических генераторов похожи на это.

Даже магниты на холодильник имеют магнитные поля примерно в 200 раз сильнее земных.

Обновление: эта статья была обновлена ​​21 мая, чтобы включить ядерную энергию в список источников энергии.

Подробнее: Любопытные дети: почему с деревьев падают листья?

Здравствуйте, любопытные детки! У вас есть вопрос, на который вы хотите дать ответ эксперта? Попросите взрослого отправить свой вопрос по адресу [email protected]

Скажите, пожалуйста, свое имя, возраст и город, в котором вы живете.Мы не сможем ответить на все вопросы, но сделаем все, что в наших силах.